中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 張文毓

鎂合金管、棒、帶、型材主要采用擠壓方法加工成形, 擠壓包括正向擠壓和反向擠壓。鎂合金的塑性較低, 而擠壓工藝最適用于低塑性材料的成形加工, 大部分鎂合金如AZ31B、ZM21 、ZK60A 、HK31 等均可用擠壓生產(chǎn)。鎂及鎂合金的典型擠壓溫度為573 K ～ 723 K , 擠壓的溫度取決于合金種類和擠壓件形狀。鎂合金的擠壓比在(10∶1)～ (100∶1)變化, 預(yù)擠壓的錠坯擠壓比可適當(dāng)?shù)脑龃? 鎂合金通過熱態(tài)的大擠壓比可以細(xì)化晶粒, 擠壓比越大晶粒越細(xì)。[1]

一、概述

鎂合金塑性較差，適合擠壓成形，一般為溫擠壓和熱擠壓，擠壓溫度通常為300～ 450 ℃。鎂合金擠壓有以下優(yōu)點: 可細(xì)化晶粒，通過保留擠壓纖維織構(gòu)可提高強度，可獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量及良好的尺寸精度。目前，鎂合金管材、棒材、型材、帶材等產(chǎn)品主要采用擠壓成形。但鎂合金擠壓也存在擠壓速度慢、變形抗力大、擠壓加工后由于形成織構(gòu)而造成材料力學(xué)性能的各向異性等缺點。

目前，鎂合金管材等產(chǎn)品主要采用擠壓方法加工成形。鎂合金在擠壓變形過程中處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，可以充分發(fā)揮鎂合金的塑性，提高變形能力，以獲得大變形量。鎂合金管材擠壓工藝具有節(jié)省原料、節(jié)省機械加工周期和成本、產(chǎn)品性能高等特點，因此備受人們的青睞和重視。鎂合金擠壓產(chǎn)品的組織和力學(xué)性能與模具溫度、擠壓速度、擠壓比等密切相關(guān)。

擠壓具有強烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài), 金屬可以發(fā)揮其最大的塑性變形潛力。鎂合金擠壓主要工藝參數(shù)包括模具預(yù)熱溫度、鑄錠加熱制度、擠壓速度、擠壓比、潤滑劑等。另外鑄錠均勻化處理對擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量也有重要影響。

1．鎂合金擠壓成形的特點

目前，熱擠壓是變形鎂合金最主要的塑性加工方法。與變形鋁合金的擠壓加工一樣，變形鎂合金可采用正向擠壓，也可以采用反向擠壓；可用單動擠壓機，也可以用雙動擠壓機；可用臥式擠壓機，也可用立式擠壓機，擠壓管、棒、型、線材。一般來說，凡是用于擠壓鋁合金制品的擠壓機和擠壓方法基本適用于擠壓鎂合金制品。但二者仍存在以下差異：①鎂合金只允許在空氣電阻爐中加熱；而鋁合金可在空氣電阻爐或感應(yīng)爐中加熱。②鎂合金擠壓溫度稍低，為防止鎂錠燃燒， 各種鎂合金允許加熱的最高溫度為470℃；而鋁合金的最高加熱溫度可達(dá)到550℃。③鎂合金擠壓速度最高可達(dá)20m／min，比硬鋁合金的快，但僅為軟鋁合金擠壓速度的1/3 左右。④鎂合金熱擠壓材的收縮率比鋁合金的大， 而且模具承受的變形抗力大，模具設(shè)計時要求承受更大的擠壓力，并千方百計減少金屬擠壓時的變形抗力。⑤鎂合金擠壓材要加熱到100℃～200℃條件下拉伸矯直，這需要專用設(shè)備；而鋁合金擠壓材可在室溫拉伸矯直。[2]

材料經(jīng)過大塑性變形(Severe plastic deformation)可以極大細(xì)化晶粒組織， 制備出亞微米的晶粒。目前研究的比較多的大塑性變形擠壓技術(shù)主要有等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAE)、循環(huán)擠壓或往復(fù)擠壓(CEC)、大比率擠壓(HRE)。

2．?dāng)D壓加工與其他加工方法相比的優(yōu)勢

（1）工藝流程簡單。例如，鎂合金的板材目前以軋制為主，需要通過多次的反復(fù)軋制才能成形，這樣工序多，生產(chǎn)效率較低。若采用擠壓加工，在三向壓應(yīng)力的作用下發(fā)生變形，通過一次擠壓就可以制造所需要的板材，從成本上來說，是十分有利的。

（2）擠壓技術(shù)生產(chǎn)的鎂合金產(chǎn)品范圍很廣。板、管、棒、線和型材都可以通過擠壓加工來生產(chǎn)。其中，許多斷面形狀的型材是采用其他塑性加工方法所無法成形的。

（3）提高了鎂合金的變形能力。細(xì)化晶粒是提高鎂合金塑性最主要的方式。在擠壓變形區(qū)中，鎂合金材料處于強烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，可有效地防止由于塑性成形差而造成開裂。擠壓加工很合適鎂合金這樣低塑性難變形的合金加工。

（4）產(chǎn)品的質(zhì)量高。擠壓變形可以改善金屬材料的組織，提高其力學(xué)性能。[3]

二、研究現(xiàn)狀

鎂及鎂合金為密集六方晶格, 這就決定了這類金屬不易進(jìn)行壓力加工與成型加工, 因為它們在室溫下變形時, 滑移僅產(chǎn)生于基面[ 0001] 且在原子最密排的<1120 >方向上。但當(dāng)溫度高于225℃時會產(chǎn)生新的滑移系,即會增加棱錐面[ 1011] 與<1120 >方向組成的滑移系。所以, 鎂及鎂合金在225℃以上還是有相當(dāng)高的塑性。

鎂及鎂合金還可以發(fā)生雙晶變形, 室溫時一次雙晶發(fā)生于[ 1012] 面上, 二次雙晶發(fā)生于[ 3034]面上, 在高溫時還可以發(fā)生于[ 1013]面, 因此, 鎂及鎂合金一般在較高溫度下進(jìn)行塑性成形。[4]

鎂及鎂合金擠壓的基本原理、擠壓方法與設(shè)備、工具與模具，以及擠壓工藝參數(shù)的確定原則與鋁及鋁合金熱擠壓的基本相同。

材料經(jīng)過大塑性變形( Severe plastic deformation）可以獲得大的塑性變形，極大細(xì)化晶粒組織,制備出亞微米級尺寸的晶粒。大多數(shù)SPD 過程實質(zhì)上是一種循環(huán)的變形過程，但通常會有變形路徑的變化。早在20 世紀(jì)80 年代初就有人指出,SPD 技術(shù)應(yīng)該滿足多項條件,其中主要有大塑性變形量、相對低的變形溫度、變形材料內(nèi)部承受高壓。在這一原則的指導(dǎo)下,得到了迅猛的發(fā)展，包括等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAE)、高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)、循環(huán)擠壓或往復(fù)擠壓（CEC）、異步軋制(Differential speed rolling technology)、大比率擠壓（HRE）、累積軋制(ARB)、多軸壓縮(MAC)、反復(fù)彎曲和矯直工藝(RCS)、等通道擠壓軋制(ECAP-Rolling)和快速凝固加粉末冶金等。[5]

擠壓工藝最適合于低塑性材料的塑性成型，因而是鎂合金理想的加工方法。擠壓速度、擠壓溫度和擠壓比是鎂合金擠壓工藝的重要工藝參數(shù)，通過控制這些工藝參數(shù)可以獲得理想的組織性能和生產(chǎn)率。影響鎂合金擠壓速度的是擠壓坯料的晶粒度和組織均勻性， 因而獲得小晶粒度組織均勻的鎂合金坯料是擠壓成型的關(guān)鍵。目前，鎂合金管材、棒、型材、帶材主要采用擠壓方法加工成形。因為鎂合金在室溫下塑性很低，伸長率只有4%～5%，所以擠壓加工是理想的方法，軋制加工則比較困難。

傳統(tǒng)的鎂合金擠壓變形方法一般包括正向擠壓和反向擠壓。隨著擠壓技術(shù)研究的不斷深入，靜液擠壓、連續(xù)擠壓、等溫擠壓以及大塑性變形（Serve Plastic Deformation）擠壓等先進(jìn)擠壓技術(shù)得到迅速的發(fā)展。

1．等徑角擠壓

等徑角擠壓(又稱等通道轉(zhuǎn)角擠壓, equal channel angular extrusion,ECAE)通過強烈塑性變形, 從而使晶粒細(xì)化到微米、亞微米及納米尺度。

等徑角擠壓工藝作為迄今為止最具商業(yè)應(yīng)用前景的SPD 技術(shù)， 是通過大塑性變形而獲得大尺寸UFG 塊體材料的有效方法之一。在ECAE中，影響材料微觀組織和性能的工藝參數(shù)主要包括模具結(jié)構(gòu)、擠壓路徑和擠壓道次、擠壓溫度、擠壓速度等。其中模具結(jié)構(gòu)多樣化設(shè)計成為研究熱點。

由于鎂合金塑性成形性能差，而超塑性成形可以用來加工形狀復(fù)雜、變形較大的工件，那么超塑性成形對于鎂合金就具有重要意義。研究表明，鎂合金的力學(xué)性能對晶粒尺寸存在著很大的依存關(guān)系，而通過ECAE則可極大地細(xì)化晶粒，改善其微觀結(jié)構(gòu)，提高其力學(xué)性能，并表現(xiàn)出超塑性。大量的研究證明，經(jīng)ECAE 擠壓后鎂合金具有超塑性，且可實現(xiàn)低溫超塑性和高應(yīng)變速率超塑性。

ECAE 作為一種先進(jìn)的細(xì)晶材料制備工藝，是一種簡單而有效提高具有密排六方結(jié)構(gòu)鎂合金材料室溫力學(xué)性能的方法。經(jīng)過 ECAE 擠壓所制得的鎂合金材料，晶粒得到細(xì)化，塑性得到提高，可以在較低的溫度和較高的應(yīng)變速率下實現(xiàn)超塑成形，因此，極具工業(yè)應(yīng)用價值。有關(guān)ECAE對鎂合金微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的影響以及 ECAE 過程鎂合金的變形機理和變形規(guī)律的研究已取得了一定的成果，但目前的研究主要集中在少數(shù)幾個系列的鎂合金中，而對含有兩相或多相的鎂合金ECAE 研究還甚少，對鎂基復(fù)合材料的ECAE 研究還未見報道。因此，為了進(jìn)一步擴大鎂合金的應(yīng)用范圍，進(jìn)一步了解ECAE 過程中鎂合金的變形特征，還有待深入研究。[6]

2．往復(fù)擠壓

往復(fù)擠壓（reciprocating extrusion）模具由兩個擠壓筒、一個凹模（由兩頭兩個圓錐形緊縮區(qū)和中間細(xì)頸區(qū)組成）和放置于兩擠壓筒內(nèi)的沖頭組成，兩擠壓筒截面積相等，在同一條軸線上，通過中間的凹模連接。

3． S 型等徑側(cè)向擠壓

S 型等徑側(cè)向擠壓時,其真應(yīng)變等于零,變形體的外觀尺寸沒有變化,保持著變形前的形狀。而等效真應(yīng)變不為零,且與循環(huán)次數(shù)呈正比關(guān)系。隨著循環(huán)次數(shù)的增加, 變形體內(nèi)可以積累很大的應(yīng)變量,對變形體的微觀組織產(chǎn)生很大的影響。

4．大比率擠壓

大比率擠壓的基本原理是通過大的擠壓比,使材料在較大的擠壓力作用下, 產(chǎn)生大塑性變形,從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。大比率擠壓區(qū)別于一般擠壓工藝的特點是擠壓比大,通常大于50,擠壓工藝可以為一次大比率擠壓和多次累積大比率擠壓。

5．等溫擠壓技術(shù)

對擠壓筒中的金屬坯料施加壓力，使之從擠壓模具流出，得到設(shè)計的截面尺寸和形狀的塑性成形方法稱為擠壓。有色金屬中鋁、鎂合金等具有密度小、強度高等特點，使其在建筑、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，擠壓加工方法是該類合金的一種重要成形方式。

等溫擠壓技術(shù)，即控制擠壓型材在出?？诘臏囟葹橐缓愣囟鹊臄D壓生產(chǎn)過程。將三維有限元模擬技術(shù)和比例—積分—微分(Proportionalintegral-derivative, PID)控制原理相結(jié)合，采用基于數(shù)值模擬的等溫擠壓加工方法，控制擠出型材在長度方向的性能和尺寸精度，減少寬幅型材的翹曲量，提高擠出型材的尺寸穩(wěn)定性。同時控制型材出?？跍囟群湍＞吣Ｃ媸芰η闆r，提高模具使用壽命。

6．連續(xù)擠壓成形技術(shù)

連續(xù)擠壓技術(shù)有CONFORM連續(xù)擠壓、連續(xù)鑄擠和鏈帶式連續(xù)擠壓法等。其中，CONFORM連續(xù)擠壓已經(jīng)得到了工業(yè)中的實際應(yīng)用。國內(nèi)鎂合金的連續(xù)擠壓技術(shù)研究主要集中在CONFORM連續(xù)擠壓上面。

CONFORM 連續(xù)擠壓技術(shù)是1972 年英國原子能局(UKAEA)斯普林菲爾德研究所格林發(fā)明的，同年申請英國專利。繼連續(xù)鑄造、連鑄連軋和連續(xù)軋制技術(shù)實際應(yīng)用之后，在金屬材料(特別是鋁合金材料)加工工業(yè)領(lǐng)域，連續(xù)擠壓技術(shù)得到工業(yè)應(yīng)用，這是一重大技術(shù)突破。

與常規(guī)擠壓相比，CONFORM連續(xù)擠壓具有如下優(yōu)點。(1) 原材料利用率高。(2) 擠壓制品長度長。(3)制品性能、組織均勻。(4) 能量消耗低。(5) 生產(chǎn)效率高、靈活。(6) 坯料適應(yīng)性強。(7) 投資少、占地小、設(shè)備輕便、生產(chǎn)環(huán)境好且易于實現(xiàn)自動控制。(8) 連續(xù)擠壓有著特殊的變形熱力學(xué)條件，即變形溫度與變形程度隨著金屬不斷進(jìn)入變形區(qū)逐漸增高，可直接利用室溫下的坯料擠壓成熱加工態(tài)產(chǎn)品，且變形區(qū)內(nèi)存在劇烈剪切帶。這種大剪切變形更有利于鎂合金晶粒細(xì)化、組織均勻化和改變擠壓纖維織構(gòu)。

開發(fā)了變形鎂合金連續(xù)擠壓工藝與裝備，通過連續(xù)大剪切變形顯著地細(xì)化鎂合金晶粒，使其成形性得到提高，成功地實現(xiàn)了鎂合金等低塑性材料的高效率連續(xù)擠壓加工。[7]

7．半固態(tài)擠壓法

半固態(tài)擠壓工藝和普通熱擠壓工藝基本相同,被加熱到半固態(tài)的坯料(通過控制溫度來保持其固態(tài)形狀, 避免自重造成的形狀破壞)被放到擠壓模腔體內(nèi), 擠壓成各種產(chǎn)品。由于半固態(tài)漿料的晶界強度很低, 坯料變形抗力很小, 所需擠壓力僅為普通熱擠壓的20% ～ 25%, 這樣可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)擠壓比, 提高產(chǎn)品的密度。近年來對粉末坯料擠壓技術(shù)和噴射沉積成形坯料擠壓技術(shù)也進(jìn)行了深入的研究, 并已研發(fā)出各種合金的高質(zhì)量鎂合金管、棒、型材產(chǎn)品。

8．鎂合金擠壓鑄造成形技術(shù)研究

鎂合金擠壓鑄造技術(shù)逐漸成為人們研究的重點，主要是因為與鑄造鎂合金相比，擠壓鑄造擁有更優(yōu)的力學(xué)性能。擠壓鑄造鎂合金產(chǎn)品綜合性能得到了質(zhì)的飛越，克服了鑄造鎂合金產(chǎn)品的組織缺陷，為性能要求高、形狀復(fù)雜部件帶來了機遇。但是受限于我國工藝水平，目前還沒有成熟的擠壓鎂合金技術(shù)，在實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了一些產(chǎn)品問題，比如產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、有氣泡、有裂紋、力學(xué)性能不足夠穩(wěn)定等情況。

擠壓鑄造成形技術(shù)以其可鑄性和可塑性為主要特質(zhì)，具有高效率、短流程、精確度高等特點，在國內(nèi)外都得到了很廣泛的研究和工作開展。

隨著高新技術(shù)發(fā)展，由鎂合金形成高端緊密儀器設(shè)備已經(jīng)在發(fā)達(dá)國家得到普遍應(yīng)用，但是我們國內(nèi)目前還是傳統(tǒng)鑄造方法和金屬鑄造方法較多，對于精密儀器設(shè)備成形技術(shù)明顯水平不夠。隨著技術(shù)的發(fā)展以及能源緊張問題，鎂合金必然成為日后擠壓鑄造領(lǐng)域的重要原材料，大力發(fā)展鎂合金擠壓鑄造成形技術(shù)對于我國在合金應(yīng)用領(lǐng)域有著舉足輕重的意義。[8]

9．?dāng)D壓產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域

有色金屬，特別是鋁、鎂合金擠壓加工材，由于具有一系列優(yōu)異特性，在國民經(jīng)濟(jì)各部門、國防軍工各領(lǐng)域、人民生活各方面都獲得廣泛的應(yīng)用。目前最廣泛的領(lǐng)域有：

（1）航天航空。 以鋁、鎂合金擠壓材為主，主要滿足其輕量化的要求。

（2）交通運輸。 這是鋁、鎂合金擠壓材應(yīng)用最多的部門。主要用于車廂板、外殼、內(nèi)裝飾等部位，以滿足其輕量化的要求。

（3）電力能源。主要用于輸電匯流排、管母線、電纜電線、電機外殼以及核電、風(fēng)能、太陽能、水電及石油煤炭、礦山等用材，鋁合金的管材、棒材、型材和線材用量最大，鎂合金擠壓材用量不多。

（4）電子、電器、通訊與散熱器。 電子、電器、通訊元件，電機外殼及散熱器等，以鋁擠壓材為主，鎂合金擠壓材在電腦筆記本、手機等電器方面也開始應(yīng)用。

（5）電氣、機械、五金及裝飾品方面，鋁擠壓件應(yīng)用廣泛。

（6）醫(yī)療器械及文體用品方面，開始廣泛應(yīng)用。

（7）其它領(lǐng)域。[9]

三、結(jié)束語

鎂合金管、棒、帶、型材主要采用擠壓方法加工成形, 鎂合金擠壓主要工藝參數(shù)包括模具預(yù)熱溫度、鑄錠加熱制度、擠壓速度、擠壓比、潤滑劑等。但鎂合金擠壓也存在擠壓速度慢、變形抗力大、擠壓加工后由于形成織構(gòu)而造成材料力學(xué)性能的各向異性等缺點。隨著擠壓技術(shù)研究的不斷深入，等徑角擠壓、往復(fù)擠壓、S 型等徑側(cè)向擠壓、大比率擠壓、等溫擠壓技術(shù)、連續(xù)擠壓成形技術(shù)、半固態(tài)擠壓法、鎂合金擠壓鑄造成形技術(shù)等先進(jìn)擠壓技術(shù)得到迅速的發(fā)展。鎂合金擠壓加工材，由于具有一系列優(yōu)異特性，在國民經(jīng)濟(jì)各部門、國防軍工各領(lǐng)域、人民生活各方面都獲得廣泛的應(yīng)用。 □